電動舵機核心部套件結構仿真

徐 維，鄧 攀，夏 占，黃強強，王永爽

（上海船舶設備研究所，上海 200031）

0 引言

舵機是用于保持和改變船舶航向的專門裝置，是船舶重要輔機之一[1]。常規的船舶舵機以液壓型式為主，通過電動機驅動主泵運轉，輸出油液驅動執行機構從而進行轉舵。目前，液壓舵機技術雖已相對成熟，但仍存在一些固有問題：例如結構復雜且占用空間大、介質泄漏、維護工作量較大等[2-3]。

隨著電驅動控制及精密制造技術的發展，制約其發展的瓶頸被突破，逐漸形成了新一代電動舵機技術。電動舵機具有集成度高、重量輕、噪聲低及維護簡單等優點，有利于推進新一代艦船裝備技術發展，尤其是操舵控制系統技術水平的提升。

電動舵機的輸出性能是否滿足設計要求將直接決定船舶能否正常穩定運行，而其核心部套件的性能則直接決定了設備的可靠性。因此，有必要對電動舵機及其核心部套件進行結構仿真分析。

1 基本結構與原理

1.1 電動舵機組成及工作原理

電動舵機使用電動缸作為驅動機構，設計為擺缸式單舵型式，舵柄的中心輪轂與舵桿相連，兩端分別與2只電動缸的輸出軸鉸接，結構如圖1所示。

圖1 電動舵機幾何模型圖

操舵時，舵機控制柜接收舵角指令信號，驅動器將控制器的信號與電動缸的伺服電機編碼器反饋信號進行比較，按要求驅動電動缸運動輸出，從而帶動舵柄轉動。當舵機旋轉至指令舵角時，電動缸的伺服電機停止運轉并保持所需扭矩。電動舵機原理框圖見圖2。

圖2 電動舵機原理框圖

1.2 電動缸組成及工作原理

電動缸是電動舵機的核心部套件，由伺服電機、減速器、齒輪箱和絲桿等部件組成，其結構組成如圖3所示。

圖3 電動舵機幾何模型圖

電動缸工作原理：在伺服電機的驅動下，通過齒輪傳動機構以定減速比將動力傳給滾柱絲桿，經滾柱絲桿的動力變換作用，將電機旋轉動力轉換為滾柱螺母的直線動力。

1.3 電動缸主要技術指標

1）輸出推力≥225.9kN；

2）工作速度≥0.0412m/s；

3）主要結構參數如表1所示。

2 仿真分析

2.1 絲桿有限元仿真分析

電動缸的承載與傳動能力主要取決于行星滾柱絲桿。行星滾柱絲桿為承載的關鍵核心部套件，需要對其強度進行仿真分析。在行星滾柱絲桿承受載荷時，對絲桿及螺母進行有限元分析，校核其在額定動載荷和額定靜載荷下的強度[4-5]。

表1 電動缸主要結構參數

如圖4所示，對模型進行簡化：傳動螺紋部分 以螺紋底徑代替螺紋處的直徑。施加的邊界條件，在絲桿擋肩B處固定，并在絲桿A處分別施加載荷：絲桿的額定動載荷（343.1 kN）及額定靜載荷（869.6 kN）。得到對應結果分別如圖5和圖6所示。

圖4 額定動載下絲桿邊界條件施加

圖5 絲桿計算結果（載荷為額定動載）

圖6 絲桿計算結果（載荷為額定靜載）

由有限元分析可知：在絲桿承受額定動載時，絲桿的最大應力小于材料的屈服強度（518.42 MPa）；在絲桿承受額定靜載時，絲桿的最大應力小于材料的屈服抗拉強度（861.3 MPa）。故絲桿的結構強度滿足要求。

螺母簡化模型見圖7：對螺母的螺紋A處采取固定約束；在螺母的法蘭B處分別施加軸向載荷，軸向載荷大小分別為絲桿的額定動載（343.1 kN）及額定靜載（869.6 kN）。

計算結果分別如圖8和圖9所示。

圖7 螺母邊界條件施加

圖8 螺母計算結果（載荷為額定動載）

圖9 螺母計算結果（載荷為額定靜載）

由有限元分析可知：在螺母承受額定動載時，螺母的最大應力小于材料的屈服強度（518.42 MPa）；在螺母承受額定靜載時，螺母的最大應力小于材料的屈服抗拉強度（861.30 MPa）。因此，絲桿的結構強度滿足要求。

2.2 電動舵機運動學仿真分析

運動仿真目的，即為各分系統設計提供輸入依據。建立三維模型，根據實際情況賦予質量或慣量屬性，并按照給定輸入曲線進行仿真。

2.2.1 三維建模

建立舵機三維模型（圖1），并賦予質量和慣量屬性。

2.2.2 添加運動關系

按照獨立屬性建立連桿，并根據實際運動關系建立各連桿的運動約束，如圖10所示。

圖10 電動舵機運動關系添加

運動輸入：左側電動缸按照（A,T）＝（267 mm, 24 s）進行正弦位移曲線同步升降運動，運動函數y＝267sin(πt/24)，運動特性曲線見圖11及圖12；右側電動缸按左側位置隨動。

2.2.3 運動仿真結果

設置完成后開展仿真，取2周期運動仿真曲線。

舵柄角度運動仿真結果如圖13圖14所示。

左側電動缸運動與舵角運動關系仿真結果如圖15和圖16所示。

圖11 電動舵機左側電動缸位移曲線

圖12 電動舵機左側電動缸加速度曲線

圖13 電動舵機舵柄角速度曲線

圖14 電動舵機舵柄角加速度曲線

圖15 舵柄角速度和左側電動缸位移關系

圖16 舵柄角加速度和左側電動缸位移關系

輸出運動動畫，如圖17所示。

圖17 電動舵機運動仿真截圖

由運動仿真結果可以看出：按照設計參數，電動舵機的輸出性能指標滿足設計要求，且結構設計、參數匹配關系合理。

3 結論

本文針對核心部套件電動缸，尤其是核心傳動部套件滾柱絲桿，開展了結構仿真計算分析研究，并對整機運動學進行仿真分析，結果表明：當正常工作時，電動舵機核心部套件強度可靠；在規定設計參數下，舵機輸出性能良好。